基于数字编码的特征移相合成子孔径共相位边界效应研究

Multiple sub-aperture synthetic imaging can enlarge pupil diameter of optical systems, and increase system resolution. To achieve good imaging quality, synthetic aperture imaging system requires phase cophase of each sub-aperture. Phase cophase of sub-aperture is a cutting-edge topic and research focus in the field of sub-aperture imaging system in recent years, which is prospectively widely applied in fields like astronomical observations and aerospace remote sensing. In the project, in-depth study about basic principles and methods of off-axis parabolic sub-aperture phase cophase was done. Fully summarize of relevant previous research was made to strive for further improvement and innovation. The study includes: Application of encoding features light phase shift method to extract the central dividing line to get sub-aperture wavefront information, and the use of sub-aperture offset reference point to get the aperture phase calibration coefficients of spherical surface. Exploration of sub-aperture edge identification and extraction, and striving breaks through the limit of slope sampling in marginal region. Study about influence of sinusoidal extreme strip phase shift on phase extraction, and based on sinusoidal stripe phase shift from multiple linear light sources of the illumination reflected image , to carry out the phase shift errors for inhibiting the phase shift error of extracted frame, Also will explore the wrapped phase problems due to the introduction of trigonometric cyclical, so that phase unwrapping method based on the specific needs of the more reasonable. We build experimental system for the study of problems and explore achieve sub-aperture imaging system hardware distribution.

多个子孔径合成成像起着增大光学系统的入瞳直径、提高系统分辨率的作用。与单块整镜主镜成像系统相比较，合成子孔径的关键技术是实现各子镜的共相位。为达到良好的成像效果，需要探测各子镜的相位并加以校准以实现子镜的共面排布。该研究是近年来合成子孔径成像系统领域的前沿课题和研究热点，在天文观测、航天遥感等领域，具有广阔的应用前景。本项目针对离轴抛物面合成子孔径共相位过程中难于解决的边界效应问题，深入研究其基本原理和方法，开展子孔径边界的识别与提取，力求突破边缘区域斜率采样的限制；基于特征移相方法提取子孔径边缘相位梯度陡峭处的相位值，从而获得子孔径的全孔径信息；利用离轴抛物面失调参考点获得非球面子孔径的边界相位校准系数；针对数字编码对边界相位提取的作用，研究多帧特征移相的相移算式；研究由于大相位梯度而引人的包裹相位问题，使相位解包裹根据特定需要而趋于合理；针对各项问题搭建测试平台，实现合成子孔径成像光学共相位的硬件分布。

本项目开展了基于数字编码的特征移相系统的合成子孔径共相位边界效应研究。建立了基于数字编码的特征移相合成子孔径系统，以解决子孔径边缘区域斜率大、边界复杂等问题，对关键元件和参数进行了精度分析，采样点定位误差为10e-3 mm，斜率测量误差为10e-6 rad，薄膜分束器引起的波前像差为0.1~3 nm量级。设计了实时显示并跟踪计算光斑质心的GUI程序，实现了亚像素量级的系统校准精度。提出了一种利用空间光调制器、平晶、针孔光阑和探测器实现光线角度标定的光线-质心拟合标定方法，建立了探测器像素坐标系与空间光线角度的对应关系，完成了光线角度的标定，为后期求解反射光线的单位向量提供了依据。提出了基于差分原理的定位方法及距离标定方法，角度的标定精度提高了10e-5 rad（rms）。针对子孔径边缘区域相位梯度大于π时，图像不能被充分采样，形成低调制度点或零幅值点，相位信息模糊，基于小波变换、分形维数、深度学习的方法开展了边界识别检测研究。建立了光阑模型，推导了基于Lommel方程和Bessel方程的光阑点扩散函数表达式，进行了点扩散函数强度模拟实验，研究最佳针孔光阑口径有利于在测量分辨率与质心精度中取得平衡。提出用二维超高斯函数模型对光斑图像与条纹图像进行质心计算和分析，得到的质心偏移量小于灰度质心算法约0.01Pixel~0.1Pixel。建立探测器集成微透镜阵列（MLA）几何光学模型、像差分析及质心实验，对由MLA像差造成的质心偏移进行了数值计算。建立了基于Unity3D的合成子孔径仿真系统，构建了曲率半径152.4 mm，口径76.2 mm的球面模型，获得了球面模型的Mesh面形信息。Unity3D具有强大的三维显示互动能力，以此为基础建立的仿真系统具有更强的科普能力，与其他光学仿真软件相比，更有助于研究环境光噪声条件下的去噪声能力。仿真系统的建立对设备选购，系统方案选择，原理验证等具有重要意义。开展了一系列相关实验，取得了预期的实验结果。